Identification of Long Non-Coding RNAs Deregulated in Multiple ...

2 downloads 16 Views 1011KB Size Report
Oct 6, 2016 - Abstract: While the clinical benefit of proteasome inhibitors (PIs) for multiple myeloma (MM) treatment remains unchallenged, dose-limiting ...
  Article 

Identification of Long Non‐Coding RNAs  Deregulated in Multiple Myeloma Cells Resistant to  Proteasome Inhibitors  Ehsan Malek 1, Byung‐Gyu Kim 2 and James J. Driscoll 3,4,*    Division of Hematology and Oncology, University Hospitals, Case Medical Center, Seidman Cancer  Center, Cleveland, OH 44106, USA; [email protected]  2  Department of Pediatrics, Case Comprehensive Cancer Center, Case Western Reserve University,  Cleveland, OH 44106, USA; [email protected]  3  Division of Hematology and Oncology, University of Cincinnati College of Medicine, Cincinnati, OH  45267, USA  4  The Vontz Center for Molecular Studies, University of Cincinnati College of Medicine, Cincinnati, OH  45267, USA  *  Correspondence: [email protected]; Tel: 513‐558‐2186  1

Academic Editor: Muller Fabbri  Received: 5 July 2016; Accepted: 27 September 2016; Published: 6 October 2016 

Abstract:  While  the  clinical  benefit  of  proteasome  inhibitors  (PIs)  for  multiple  myeloma  (MM)  treatment  remains  unchallenged,  dose‐limiting  toxicities  and  the  inevitable  emergence  of  drug  resistance limit their long‐term utility. Disease eradication is compromised by drug resistance that  is either present de novo or therapy‐induced, which accounts for the majority of tumor relapses and  MM‐related deaths. Non‐coding RNAs (ncRNAs) are a broad class of RNA molecules, including  long non‐coding RNAs (lncRNAs), that do not encode proteins but play a major role in regulating  the  fundamental  cellular  processes  that  control  cancer  initiation,  metastasis,  and  therapeutic  resistance.  While  lncRNAs  have  recently  attracted  significant  attention  as  therapeutic  targets  to  potentially  improve  cancer  treatment,  identification  of  lncRNAs  that  are  deregulated  in  cells  resistant to PIs has not been previously addressed. We have modeled drug resistance by generating  three  MM  cell  lines  with  acquired  resistance  to  either  bortezomib,  carfilzomib,  or  ixazomib.  Genome‐wide  profiling  identified  lncRNAs  that  were  significantly  deregulated  in  all  three  PI‐ resistant  cell  lines  relative  to  the  drug‐sensitive  parental  cell  line.  Strikingly,  certain  lncRNAs  deregulated in the three PI‐resistant cell lines were also deregulated in MM plasma cells isolated  from newly diagnosed patients compared to healthy plasma cells. Taken together, these preliminary  studies  strongly  suggest  that  lncRNAs  represent  potential  therapeutic  targets  to  prevent  or  overcome  drug  resistance.  More  investigations  are  ongoing  to  expand  these  initial  studies  in  a  greater number of MM patients to better define lncRNAs signatures that contribute to PI resistance  in MM.  Keywords:  long  non‐coding  RNA;  multiple  myeloma;  myelomagenesis;  proteasome;  drug  resistance   

1. Introduction  Multiple myeloma (MM) is characterized by the clonal proliferation of malignant plasma cells  (PCs)  within  the  bone  marrow  (BM)  microenvironment  [1,2].  MM  is  the  second  most  common  hematologic malignancy, with an incidence of 24,000 cases per year in the USA, and accounts for 2%  of deaths from all cancers and ≈20% of deaths from hematologic cancers [3]. In Western countries, in  the near future both the incidence and prevalence of this disease will increase as the result of an aging  Genes 2016, 7, 84; doi: 10.3390/genes7100084 

www.mdpi.com/journal/genes 

Genes 2016, 7, 84   

2 of 13 

population and  increased survival  of  those  with  the disease. As  the  number  of  patients  surviving  with  MM  increases,  concern  for  the  development  of  therapeutic  resistance  rises.  Although  the  introduction of immunomodulatory drugs (IMiDs) and proteasome inhibitors (PIs) has improved the  outlook, MM remains incurable. Induction therapy followed by autologous BM transplant forms the  backbone of treatment for young and transplant‐eligible patients. However, many patients do not  respond to standard therapy and those that do respond inevitably develop resistance [4].  Eukaryotic  cells  maintain  a  healthy  proteome  through  integration  of  the  ubiquitin  (Ub)  +  proteasome system (UPS) and aggresome + autophagy pathway [5]. The UPS plays a pivotal role in  maintaining proteostasis through the selective elimination of misfolded, damaged, and short‐lived  proteins  [6–8].  Molecules  that  inhibit  the  proteasome  and  disrupt  proteostasis  are  selectively  cytotoxic to cancer cells and have been exploited for therapeutic gain. Functional blockade of the UPS  represents a remarkable bench‐to‐bedside success that has catapulted the proteasome into a position  of prominence in cancer biology [9–12].  PIs  such  as  bortezomib  (Velcade™,  Takeda  Oncology,  Cambridge,  MA,)  and  carfilzomib  (Kyprolis®,  Amgen,  Thousand  Oaks,  CA)  have  improved  the  quality  of  life  (QOL)  and  overall  survival (OS) of MM patients. Bortezomib is a selective drug that inhibits the proteasome to exploit  its pivotal cellular function and promotes tumor cell death. Ixazomib (Ninlaro®, Millennium, Takeda  Oncology, Cambridge, MA) is a boron‐based, orally available PI, and was recently Food and Drug  Administration  (FDA)  approved  [13–16].  PIs  also  induce  aggresome  formation  and  autophagy  as  compensatory protein clearance mechanisms and this can lead to the emergence of drug resistance  and disease relapse, leading to treatment failure and fatal outcomes. While the therapeutic benefit of  targeting  the  proteasome  remains  unchallenged,  more  precise  modalities  that  do  not  induce  the  aggresome + autophagosome pathway are needed.  Only  one‐fifth  of  transcription  leads  to  protein‐coding  genes  across  the  human  genome,  indicating that there are four times as many non‐coding RNAs (ncRNAs) compared to coding RNAs.  Long non‐coding RNAs (lncRNAs) function as master regulators of the human genome and control  the  majority  of  key  intracellular  signaling  pathways  and  processes  including  development,  proliferation, differentiation, and apoptosis [17–19]. Accordingly, alterations in ncRNA expression  are  seen  in  tissues  and  contribute  to  cancers,  autoimmune  and  genetic  disorders,  and  infectious  processes [20–24]. Specifically, deregulation of ncRNA levels is linked to tumor initiation, metastasis,  and  drug  resistance.  Thus,  ncRNAs  have  rapidly  attracted  attention  as  potential  diagnostic  and  therapeutic  targets.  lncRNAs  are  transcripts  longer  than  200  nucleotides.  This  arbitrary  limit  differentiates  this  group  from  smaller  regulatory  RNA  such  as  microRNAs  (miRNAs),  small  nucleolar RNAs (snoRNAs), Piwi‐interacting RNAs (piRNAs), and short interfering RNAs (siRNAs).  Certain ncRNAs may represent new therapeutic targets to overcome drug resistance in cancer [25– 27].  MM is characterized by genetic heterogeneity in terms of changes in gene expression compared  to normal BM plasma cells [28–30]. These expression changes can be driven directly or indirectly by  changes in signaling, e.g., due to altered external stimuli mediated by a changing microenvironment  such as by miRNAs [31]. miRNAs are non‐protein‐coding RNAs that function as regulators of mRNA  stability and translation. miRNAs act post‐transcriptionally to repress the expression of their target  genes, while an upregulation of gene expression has been found under specific conditions, e.g., with  specific transcripts, in distinct cell types [32]. A single miRNA is typically involved in the regulation  of several hundred mRNAs. In turn, several miRNAs regulate one cognate mRNA. Thus, miRNAs  function  in  both  physiological  and  pathological  processes,  e.g.,  differentiation,  angiogenesis,  apoptosis, development of cancer, metastasis, and drug resistance. Individual miRNAs and miRNA  signatures  have  been  previously  identified  in  monoclonal  gammopathy  of  unknown  significance  (MGUS) and MM and have been described as diagnostic or prognostic biomarkers and therapeutic  targets [33–48]. Global miRNA profiling studies with impact on gene expression, biological relevance,  and  survival  have  been  reported,  and  imply  a  possible  association  with  MM  pathogenesis  and  molecular subgroups in terms of specific chromosomal aberrations or gene expression‐based high‐ risk groups. In addition, circulating and serum‐derived miRNAs have also been identified in MM 

Genes 2016, 7, 84   

3 of 13 

patients [49–52]. In contrast, lncRNAs have been less well studied [53–56]. In the present study, we  identified miRNAs and lncRNAs significantly deregulated in MM cells resistant to the three FDA‐ approved PIs, bortezomib, ixazomib, and carfilzomib.  2. Materials and Methods  2.1. Cell Lines and Reagents  MM cell lines (MMCLs) were obtained from the National Cancer Institute, Bethesda, MD, USA  and cultured in complete Roswell Park Memorial Institute (RPMI) media supplemented with 10%  fetal  calf  serum  and  penicillin‐streptomycin.  Bortezomib,  carfilzomib,  and  ixazomib  were  from  ActiveBiochem  (Maplewood,  NJ,  USA).  All  other  chemicals  used  were  reagent  grade  (Sigma  Chemical, St. Louis, MO, USA).  2.2. Generation of PI‐Resistant Cells  RPMI8226 cells were exposed to successively increased concentrations (3 nM, 5 nM, 10 nM, 20  nM, 50 nM, and 100 nM) of bortezomib, ixazomib, or carfilzomib to generate resistant cells. Parental  cells were cultured under the same algorithm in vehicle (0.05% dimethyl sulfoxide, DMSO) alone.  2.3. Cell Growth and Proliferation  The  effect  of  proteasome  inhibitors  on  myeloma  growth  and  proliferation  was  assessed  by  measuring XTT (Sigma) dye absorbance. First, 5 × 104 cells were plated in 96‐well plates and incubated  in media that lacked phenol red. Cells were then treated with drugs at the indicated concentration  (10 nM) and incubated for 72 h. XTT‐phenazine methosulfate (PMS) mixture (50 μL, 1 mg/mL XTT;  20 μM PMS) was prepared and added to plates that were then incubated for 4 h. Absorbance was  then measured using a BMG Labtech FLUOstar OPTIMA plate reader (Ortenberg, Germany).  2.4. Detection of Apoptosis  First, 1 × 106 myeloma cells were cultured for 24 h in a medium with or without PIs. Cells were  harvested, washed, and stained with annexin V/propidium iodide (PI). Annexin V+/PI− apoptotic cells  were  enumerated  using  the  Epics  flow  cytometer  (Beckman  Coulter,  Indianapolis,  IN,  USA).  The  percentage of cells undergoing apoptosis was defined as the sum of early apoptosis (annexin V+) and  late apoptosis (annexin V+ and PI+) cells. Annexin V fluorescein isothiocyanate (FITC) conjugate was  added  and  the  sample  was  analyzed  using  a  Coulter®  epics®  XL‐MCL  system  (Beckman  Coulter,  Indianapolis, IN, USA).  2.5. Gene Expression Microarray  Total RNA that contained both mRNA and ncRNA was isolated from patient samples using the  RNeasy kit (Qiagen Inc., Germantown, MD, USA). The quality of the total RNA was confirmed using  the Agilent 2100 Bioanalyzer (Agilent, Santa Clara, CA, USA) and the RNA6000 Nano assay (Agilent).  For  each  sample,  the  3′  in  vitro  translation  (IVT)  express  kit  (Affymetrix,  Santa  Clara,  CA,  USA)  synthesized biotin‐labeled RNA target from 100 ng of the total RNA sample. The 3′ IVT kit contains  hybrid  primers  that  bind  polyA  (polydT)  as  well  as  random  hexamer  primers  that  bind  ncRNA  sequence.  The  kit  generates  cDNA  to  both  polyA  (coding)  and  non‐polyA  (non‐coding)  RNAs.  A  hybridization  cocktail  that  included  10  μg  of  target  was  created  for  each  sample.  Samples  were  hybridized to the Genechip Primeview Human Gene Expression probe array cartridge (Affymetrix).  The  PrimeView  Human  Gene  Expression  Array  provides  comprehensive  coverage  of  the  human  genome  in  a  cartridge  array  format.  The  array  is  comprised  of  >530,000  probes  covering  >36,000  transcripts  and  variants,  which  represent  >20,000  genes.  Arrays  contain  probes  for  >20,000  total  mature  miRNAs,  snoRNAs,  ncRNAs,  and  pre‐miRNAs.  Those  probes  that  demonstrated  a  cutoff  greater or less than 2‐fold from normal PCs were further analyzed. 

Genes 2016, 7, 84   

4 of 13 

2.6. Biostatistical Analysis    ncRNA  profiles  from  drug‐naïve  and  drug‐resistant  myeloma  cells  were  performed  and  the  statistical significance of the differences was determined using the Student t test with a minimal level  of significance of p 

Suggest Documents